Датчики уровня: виды, принцип работы, применение и выбор

Датчик уровня – устройство для определения наличия или положения границы жидкости, сыпучего материала или другой контролируемой среды в резервуаре, емкости или технологическом аппарате. В зависимости от назначения устройство может контролировать достижение заданной точки либо обеспечивать измерение уровня в определенном диапазоне.

Датчики уровня отличаются принципом действия, конструкцией и характером выходного сигнала. Одни устройства непосредственно контактируют со средой, другие выполняют измерение бесконтактно. Поэтому понятие «датчик уровня» объединяет устройства, использующие разные физические методы определения уровня.

Для чего нужны датчики уровня

Датчики уровня используют для контроля состояния среды в емкости и передачи этой информации в систему управления или индикации.

Основные задачи:

• контроль минимального и максимального уровня;
• предотвращение переполнения емкости;
• защита оборудования от работы при недостаточном уровне;
• управление наполнением и опорожнением;
• непрерывное измерение уровня;
• передача информации в систему автоматизации.

По характеру задачи важно различать предельный контроль и непрерывное измерение. При предельном контроле устройство определяет, достигла ли среда заданной отметки, например минимального или максимального уровня. При непрерывном измерении система получает текущее значение уровня в пределах рабочего диапазона.

Это различие определяет дальнейший выбор. Если системе достаточно команды «уровень достигнут / не достигнут», применяют сигнализатор предельного уровня. Если необходимо знать текущее значение, отслеживать его изменение или использовать его для регулирования, требуется устройство непрерывного измерения.

Как работает датчик уровня

Датчик уровня взаимодействует со средой непосредственно либо контролирует ее бесконтактным способом, преобразует изменение контролируемого физического параметра в сигнал и передает информацию системе управления или индикации.

Единого принципа работы для всех датчиков уровня нет. У разных устройств уровень определяется по разным физическим параметрам: положению поплавка, электрическим свойствам среды, давлению столба жидкости или характеристикам сигнала, распространяющегося до поверхности среды и обратно.

Например, при повышении уровня жидкости поплавок перемещается вместе с ее поверхностью. Гидростатический датчик фиксирует изменение давления столба жидкости. Ультразвуковой или радарный прибор определяет расстояние до поверхности и на его основе – положение уровня.

Выходной результат также зависит от назначения устройства. Сигнализатор уровня формирует информацию о достижении контрольной отметки, а устройство непрерывного измерения передает значение, соответствующее текущему уровню.

Датчик определяет уровень жидкости и передает сигнал контроллеру или реле, которое формирует команду исполнительному устройству либо передает данные в систему индикации.

Какие бывают датчики уровня

Датчики уровня можно классифицировать по назначению и физическому принципу определения уровня. По назначению прежде всего различают сигнализаторы предельного уровня и устройства непрерывного измерения.

Сигнализаторы предельного уровня

Сигнализатор предельного уровня определяет достижение контролируемой средой заданной точки. Результатом является информация о состоянии относительно этой отметки: например, достигнут максимальный уровень или среда опустилась ниже минимального.

Такие устройства используют для защиты от переполнения, контроля минимального уровня, формирования команд наполнения или опорожнения и других дискретных задач автоматизации.

Датчики непрерывного измерения уровня

Устройства непрерывного измерения определяют текущее значение уровня в заданном диапазоне, а не только факт достижения одной контрольной точки.

Такой способ применяют, когда системе необходимо знать текущее положение уровня: например, для индикации, отслеживания изменения количества среды или автоматического регулирования процесса.

Конкретный выходной сигнал и способ передачи измеренного значения зависят от исполнения датчика.

Виды датчиков уровня по принципу работы

Основные виды датчиков уровня различаются физическим параметром, по которому определяется положение контролируемой среды. Принцип измерения влияет на требования к свойствам среды, конструкции емкости и условиям эксплуатации.

Поплавковые

Поплавковый датчик использует перемещение поплавка вслед за поверхностью жидкости. Изменение положения поплавка преобразуется конструкцией устройства в сигнал.

Поплавковый принцип применяют как для контроля заданной отметки, так и в отдельных конструкциях для измерения уровня в диапазоне. Метод не требует определения уровня по электрической проводимости или диэлектрическим свойствам жидкости, но для его работы необходимо свободное перемещение поплавка. Загрязнения, отложения, высокая вязкость среды или механические препятствия могут ограничивать его движение.

Кондуктометрические

Кондуктометрический датчик определяет наличие среды по ее электрической проводимости. При контакте проводящей жидкости с электродами изменяется состояние электрической цепи, что используется для определения достижения заданного уровня.

Такой принцип подходит только для сред с достаточной электрической проводимостью и обычно применяется для предельного контроля. Слабо проводящие и непроводящие жидкости этим методом контролировать нельзя. Отложения и загрязнения на электродах также могут влиять на работу устройства.

Емкостные

Емкостный датчик определяет наличие или положение среды по изменению электрической емкости чувствительной системы.

Результат зависит от диэлектрических свойств контролируемого вещества, конструкции датчика и условий установки. Изменение состава продукта, налипание или отложения на чувствительной части способны изменять емкость независимо от фактического уровня, поэтому эти факторы учитывают при выборе и настройке конкретного устройства.

В зависимости от исполнения емкостный принцип может использоваться для предельного контроля или непрерывного измерения.

Гидростатические

Гидростатический датчик определяет уровень жидкости по давлению ее столба. При постоянной плотности давление в точке измерения возрастает пропорционально высоте столба жидкости над этой точкой.

Поэтому результат зависит не только от уровня, но и от плотности жидкости. Если плотность заметно изменяется, одному и тому же уровню может соответствовать разное гидростатическое давление, что влияет на результат пересчета давления в уровень.

Гидростатический принцип применяют для непрерывного измерения жидкостей. Для сыпучих материалов такой способ определения уровня не используется.

Ультразвуковые

Ультразвуковой датчик определяет расстояние до поверхности среды по времени распространения и отражения акустического сигнала. Зная положение датчика и расстояние до поверхности, прибор определяет уровень в емкости.

Метод позволяет выполнять измерение без непосредственного контакта чувствительного элемента со средой. На результат могут влиять пена, пар, сильное волнение поверхности, препятствия в зоне прохождения сигнала, а также условия газовой среды, влияющие на распространение ультразвука.

Радарные

Радарный датчик использует электромагнитный сигнал, направленный к поверхности контролируемой среды. По характеристикам отраженного сигнала прибор определяет расстояние до поверхности и соответствующий уровень.

Бесконтактный радарный метод не требует непосредственного контакта антенны с контролируемым продуктом. При выборе учитывают свойства среды, геометрию емкости, внутренние конструкции, требуемый диапазон и характеристики конкретного прибора.

Основные принципы контроля и измерения уровня различаются способом взаимодействия со средой: от механического перемещения поплавка и контакта электродов с жидкостью до измерения давления или отраженного ультразвукового и электромагнитного сигнала.

Таблица не является универсальным правилом для всех приборов. Например, конкретные исполнения одного принципа могут отличаться назначением и способом взаимодействия со средой.

Как выбрать датчик уровня

Выбор датчика уровня начинается с определения задачи: требуется контролировать достижение заданной отметки или получать текущее значение уровня во всем рабочем диапазоне. После этого оценивают свойства среды и условия измерения.

Основные критерии по практической значимости:

1. Задача измерения. Для предельной сигнализации и непрерывного измерения нужны устройства соответствующего назначения.
2. Тип и свойства среды. Учитывают жидкость или сыпучий материал, электропроводность, плотность, диэлектрические свойства, вязкость, загрязнения, отложения и пену – в зависимости от выбранного принципа.
3. Диапазон и требуемая точность. Прибор должен обеспечивать необходимый диапазон измерения и характеристики, достаточные для конкретной задачи.
4. Условия процесса. Учитывают температуру, давление и другие воздействия, способные повлиять на датчик или результат измерения.
5. Конструкция резервуара и место установки. Геометрия емкости, внутренние конструкции и доступное место могут создавать ограничения для контактных и бесконтактных методов.
6. Совместимость материалов со средой. Для элементов, контактирующих с продуктом, проверяют химическую и эксплуатационную совместимость материалов.
7. Выходной сигнал и интерфейс. Способ передачи результата должен быть совместим с контроллером, реле, индикатором или другой системой автоматизации.
8. Требования к исполнению. Учитывают условия окружающей среды, требуемую степень защиты и другие специальные требования к месту эксплуатации.

Нельзя выбирать принцип измерения только по одному признаку. Например, бесконтактный способ исключает погружение чувствительного элемента в продукт, но может предъявлять собственные требования к свободной зоне измерения, поверхности среды и конструкции емкости.

Окончательно выбирают не только принцип измерения, но и конкретную модель. Ее диапазон, допустимые условия эксплуатации, материалы, погрешность, выходные сигналы и ограничения должны соответствовать задаче.

Где применяются датчики уровня

Датчики уровня применяют там, где необходимо контролировать наличие, предельное положение или текущее значение уровня жидкости либо сыпучего материала.

Основные области применения:

• резервуары и технологические емкости;
• системы водоснабжения и водоотведения;
• насосные установки;
• хранение жидкостей;
• технологические процессы;
• контроль сыпучих материалов – для подходящих принципов измерения;
• системы промышленной и инженерной автоматизации.

Область применения сама по себе не определяет тип датчика. Например, в одной системе водоснабжения сигнализатор может использоваться для защиты насоса при недостаточном уровне, а датчик непрерывного измерения – для передачи текущего значения уровня в систему управления.

Часто задаваемые вопросы